UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CAMPUS DE BLUMENAU
PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO MESTRADO PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA
Sibelly Strey Venturi
EXPERIMENTAÇÃO ENTRE PAIS E FILHOS: DESPERTANDO
PEQUENOS CIENTISTAS
Blumenau 2020
SIBELLY STREY VENTURI
EXPERIMENTAÇÃO ENTRE PAIS E FILHOS: DESPERTANDO PEQUENOS
CIENTISTAS
Dissertação submetida ao Programa de Mestrado Profissional Em Ensino de Física da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.
Orientador: Prof. Daniel Girardi, Dr.
Blumenau 2020
Sibelly Strey Venturi
EXPERIMENTAÇÃO ENTRE PAIS E FILHOS: DESPERTANDO PEQUENOS
CIENTISTAS
Este trabalho em nível de mestrado foi avaliado e aprovado por banca examinadora composta pelos seguintes membros:
Prof. Daniel Girardi, Dr.
Universidade Federal de Santa Catarina Prof. Cristiano da Silva Teixeira, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Ariel Adorno de Sousa, Dr. Universidade Federal de Rondônia
Certificamos que esta é a versão original e final do trabalho de conclusão que foi julgado adequado para obtenção do título de mestre em Ensino de Física pelo Programa Nacional de Mestrado Profissional em Ensino de Física (MNPEF).
Prof. Eslley Scatena Gonçales, Dr. Coordenador de Programa
Prof. Daniel Girardi, Dr. Orientador
Blumenau 2020
Documento assinado digitalmente Daniel Girardi
Data: 04/05/2020 16:23:03-0300 CPF: 037.429.649-92
Documento assinado digitalmente Eslley Scatena Goncales Data: 04/05/2020 16:27:37-0300 CPF: 225.289.358-38
Este trabalho é dedicado as minhas filhas, Helena e Betina, meu marido e aos meus queridos pais e sogros.
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos professores do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física, bem como a Universidade Federal de Santa Catarina, campus Blumenau. A sociedade Brasileira de Física e a CAPES pelo incentivo através dessa proposta. Agradecimento ao meu professor orientador, Professor Doutor Daniel Girardi que me deu base e conhecimento científico, que estimulou a vontade de aprender, querer fazer melhor e me levou a chegar até este momento, por toda dedicação em me orientar com paciência, generosidade e sabedoria.
Também expresso meu profundo agradecimento a minha amiga Marcela Boeing e ao Eduardo Amorim, eles realizaram trabalhos que foram determinantes na conclusão do produto didático desenvolvido.
Agradeço à todos os familiares, amigos e crianças que participaram das oficinas, especialmente aos profissionais do Centro de Educação Básica Eginolf Bell e ao Grupo de Escoteiros Mafeking, todos me receberam de forma carinhosa e colaboraram com o trabalho desenvolvido.
Agradeço ao meu marido, Jean Carlos e minhas filhas, Helena e Betina pelo apoio incondicional, a ajuda, a amizade e a força constante que fez dissipar medos e inseguranças nas horas mais difíceis. Agradeço meu irmão Humberto, meus pais Teresinha e Siegbert, meus sogros Ivone e Silvio e minha tia Bela pelo carinho e a disponibilidade, que tanto me ajudaram nas deslocações até a UFSC e no auxílio em cuidar das minhas filhas enquanto estava ausente. Agradecimento especial as minhas amigas Larissa e Janice, elas foram fundamentais para permanecer no mestrado. Obrigada pela amizade, pelo companheirismo, pela atenção e por serem tão solícitas.
Finalmente, agradeço a Deus que colocou no meu caminho seres tão especiais que me permitiram chegar até aqui, dar-me resiliência, manter a esperança e energia para conseguir acabar a dissertação.
RESUMO
Este trabalho tem por finalidade apresentar o produto didático desenvolvido e elaborado para crianças de 4º e 5o ano do Ensino Fundamental I. O objetivo é criar um livro com dez atividades experimentais para que pais e filhos possam realizar os experimentos. O propósito é que pais participem ativamente na confecção e execução dos experimentos junto com seus filhos. Tendo em vista a importância de atividades experimentais na construção do conhecimento e melhoria da qualidade da educação básica, as atividades experimentais têm por objetivo despertar o interesse e reflexão dos alunos explorando o conteúdo de eletricidade, eletrodinâmica, eletromagnetismo e termodinâmica. Para avaliar os experimentos e seu impacto, realizou-se cinco oficinas supervisionadas. As estratégias utilizadas nas oficinas foram elaboradas conforme a necessidade e realidade do ambiente onde estava sendo aplicada, em todos os momentos as crianças estiveram acompanhadas de um adulto, em sua maioria, os pais. Ao final, os resultados da aplicação da oficina bem como os ajustes necessários e realizados no livro estão expostos. Como produto educacional. Conforme proposta inicial.
ABSTRACT
This work aims to present the didactic product developed and elaborated for children of 4th and 5th year of Elementary School. The primary objective is to create a book with ten experimental activities so that parents and children can perform the experiments. The purpose is for parents to actively participate in the preparation and execution of experiments together with their children. In view of the importance of experimental activities in the construction of knowledge and improvement of the quality of basic education, experimental activities aim to arouse the interest and reflection of students exploring the content of electricity, electrodynamics, electromagnetism and thermodynamics. To evaluate the experiments and their impact, five supervised workshops were carried out. The strategies used in the workshops were elaborated according to the need and reality of the environment where it was being applied, at all times the children were accompanied by an adult, mostly the parents. In the end, the results of the application of the workshop as well as the necessary adjustments made in the book are exposed.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Processos de eletrização 24
Figura 2 - Cargas elétricas em um fio condutor 28
Figura 3 - Limalha de ferro sobre um ímã de barra 32
Figura 4 - Linhas de campo magnético 33
Figura 5 - Tubo em U da experiência de Boyle 42
Figura 6 - Diagrama P – V com duas isotermas 44
Figura 7 - Aplicação do produto no CEB Eginolf Bell 51 Figura 8 - Materiais organizados para aplicação da oficina 52 Figura 9 - Organização do espaço durante a oficina no condomínio 52 Figura 10 - Organização do espaço durante a oficina no grupo de escoteiros 53 Figura 11 - Mãe e filha realizando o experimento da máquina de choque 55 Figura 12 - Mãe e filha explorando o circuito elétrico 56
Figura 13 - Iniciando o fogo na palha de aço 57
Figura 14 - Observando a deflexão da agulha da bússola 58 Figura 15 - Criança construindo a cestinha do experimento construindo o motor mais
simples 59
Figura 16 - Mãe e filha enrolando o fio na seringa 60 Figura 17 - Experiência realizada pela criança em casa 61 Figura 18 - Mãe e filho realizando o experimento explosão sem motor 61
Figura 19 - Bolha de sabão formada no furo do CD 62
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Afirmações relativas aos materiais e os procedimentos de montagem 65 Quadro 2 - Afirmações relativas ao funcionamento, execução, objetivo e interesse
pelo experimento 67
Quadro 3 - Afirmações relativas ao impacto do fenômeno no cotidiano, a linguagem
do texto e a participação no processo de montagem 68 Quadro 4 - Afirmações relativas ao interesse e a curiosidade das partes envolvidas 69
BNCC - Base Nacional Comum Curricular d.C – Depois de Cristo
a.C. – Antes de Cristo
1 INTRODUÇÃO 12 1. 1. JUSTIFICATIVA 13 1. 2. OBJETIVOS 15 1. 2. 1. Objetivo Geral 15 1. 2. 2. Objetivo Específico 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 16
2. 1. IMPORTÂNCIA DA INTEGRAÇÃO DOS PAIS NA ESCOLA 16 2. 2. A FÍSICA DOS CONTEÚDOS ABORDADOS NO PRODUTO
DIDÁTICO 21 2. 2. 1. Eletrostática 23 2. 2. 2. Eletrodinâmica 27 2. 2. 3. Eletromagnetismo 31 2. 2. 4. Temodinâmica 37 2. 3. REFERENCIAL PEDAGÓGICO 44 3 RESULTADOS 48 3. 1. PRODUTO DIDÁTICO 48
3. 1. 1. Apresentação do Produto Didático 48
3. 2. LOCAL DE APLICAÇÃO 49
3. 2. 1. Centro de Educação Básica Eginolf Bell 50
3. 2. 2. Espaço não Formal 51
3. 2. 3. Grupo de Escoteiros Makeking 52
3. 3. RELATO DE APLICAÇÃO 53
3. 4. ANÁLISE DOS DADOS 63
4 CONCLUSÃO
70
REFERÊNCIAS 71
APÊNDICE A – PRODUTO DIDÁTICO 73
1 INTRODUÇÃO
A sociedade convive com produtos que são a consequência direta da evolução da tecnologia e as alterações da vida pessoal, social e profissional, constituídos a partir dos avanços do conhecimento científico. A maior parte da população utiliza inúmeros produtos tecnológicos e pouco reflete sobre os processos envolvidos na sua criação, fabricação e distribuição (VIECHENESKI e CARLETTO, 2013).
Dessa forma, não agem com autonomia, pela falta de informação, sujeitando-se às normas do mercado e dos meios de comunicação, o que impossibilita o desempenho da cidadania crítica e consciente (VIECHENESKI e CARLETTO, 2013).
Comparado com anos anteriores, cada vez mais a sociedade tem exigido um volume maior de informações, seja para atividades simples do dia a dia como inserir-se ao mercado de trabalho, ou seja, avaliar e interpretar informações científicas veiculadas pela mídia ou para investimento à pesquisa e ao desenvolvimento de tecnologias e suas aplicações (ARAÚJO e SOUZA, 2015).
Dessa forma, existem inúmeras vantagens de ensinar a Física, onde a explicação sobre o mundo, os fenômenos da natureza e as modificações geradas pelo homem podem ser expostas e comparadas. É um ambiente de expressão das concepções espontâneas dos alunos e daquelas procedentes de vários sistemas explicativos. Debater e avaliar outras formas de ensinar, auxilia o desenvolvimento de uma postura reflexiva, crítica, questionadora e investigativa, de não aceitação de ideias errôneas e informações. Favorece a assimilação dos limites de cada modelo explicativo, até mesmo dos modelos científicos, contribuindo para a construção da autonomia de pensamento e ação (ARAÚJO & SOUZA, 2015).
De acordo com os PCN (1997),
Considerando o ensino fundamental o nível de escolarização obrigatório no Brasil, não se pode conceber no ensino de Ciências como um ensino introdutório, pensado para uma aprendizagem efetiva em momento futuro. A criança é cidadã hoje e não apenas no futuro, por isso, conhecer ciência é aumentar a perspectiva de participação social e propiciar a sua capacidade de participação social no futuro (1997).
É nas séries iniciais que os alunos tomam contato pela primeira vez com conceitos de ciências em uma situação de ensino formal. Muito da aprendizagem subsequente em ciências depende desse contato inicial. Frequentemente, observamos professores das séries iniciais, reclamando que não estão preparados para esta prática pedagógica. Esse fato pode vir a explicar o porquê das ciências nas séries iniciais não estarem aguçando a curiosidade dos estudantes, tornando desinteressante e maçante a tentativa de aquisição do conhecimento científico
discutido nessa fase. Tal formação está relacionada com a qualidade do ensino nas séries iniciais (SANTANA FILHO, SANTANA e CAMPOS, 2011).
Sabemos que as crianças desenvolvem ideias e crenças sobre o mundo bem antes de serem formalmente ensinadas na escola. Muitas vezes, essas ideias estão em desacordo com os conhecimentos científicos. É de grande importância que o ensino de conceitos físicos nas séries iniciais seja feito de modo a não reforçar os significados não aceitos cientificamente, evitar a aquisição desses significados errados e facilitar a mudança conceitual. Principalmente emancipar o estudante quanto a obtenção de novos conceitos (SANTANA FILHO, SANTANA e CAMPOS, 2011).
1. 1. JUSTIFICATIVA
Para que o ensino de conceitos de ciências nas séries iniciais atinja o objetivo de oportunizar ao aluno compreender o mundo e interpretar as ações e fenômenos que observam e vivenciam no seu cotidiano, a formação dada em ciências aos futuros professores tem um grande papel a desempenhar (OSTERMANN, MOREIRA e SILVEIRA, 1992).
A ciência tradicionalmente ensinada nas séries iniciais limita-se a reprodução de poucos conceitos que são transmitidos por professores muitas vezes despreparados, como relataram alguns professores. Durante a formação, o ensino de Física e Ciências no geral não foi relevante, pois foi dada muita ênfase na alfabetização (OSTERMANN, MOREIRA e SILVEIRA, 1992).
Outros estudantes relataram que durante a formação se consideravam bons alunos e tinham curiosidade para aprender física, mas ao mesmo tempo mencionaram outros sentimentos como: frustração e horror (BARBOSA LIMA e ALVES, 1997).
Percebemos que a ciência deve ser ensinada com outro enfoque, que deve ser conceitual e qualitativo, com muita experimentação, concentrando-se naqueles conceitos físicos que serão abordados no ensino de Ciências nas séries iniciais. A preocupação deve ser com a qualidade do conteúdo ensinado e não com a quantidade de matéria a ser dada. A metodologia também deve ser consistente com aquela a ser empregada no ensino de Ciências (BARBOSA LIMA e ALVES, 1997).
A atual situação do ensino de Ciências nas séries iniciais não parece estar estruturada para contribuir significativamente com as necessidades da sociedade contemporânea. Além do mais, os professores enfrentam muitas dificuldades no desenvolvimento de atividades que
possam ser significativas para a aprendizagem de conceitos de Física. Essa situação nos indica que a maioria das nossas escolas não conseguem ultrapassar a simples fórmula de ensinar a partir da transmissão de conceitos, presas que estão ao tradicionalismo. Resultado de múltiplos fatores, entre eles a inexistência de uma adequada formação de nossos professores, tanto do ponto de vista conceitual quanto do metodológico (BARBOSA LIMA e ALVES, 1997).
Portanto, é fundamental oferecer meios de aperfeiçoamento da prática pedagógica do professor das séries iniciais para ensinar Ciências, a fim de formá-los nesse ensino mais atraente para os alunos, a partir do resgate do gosto pela exploração, descoberta e pela curiosidade. Dentre tantas dificuldades que os professores das séries iniciais enfrentam para ensinar física a principal dela é o reduzido número de proposta de atividades, especificamente, para atender as necessidades das crianças dessa faixa etária (MONTEIRO e TEIXEIRA, 2004).
É possível observar a defasagem entre a aprendizagem escolar e as necessidades de ordem pessoal e social, podendo dizer que o ensino em ciências não acompanha as mudanças sociais, pois, cada vez mais, os jovens se afastam das ciências e afins. Os jovens de hoje comandam as tecnologias de informação, vivem numa sociedade cada vez mais firmadas em grandes redes sociais, possuem novos entendimentos, novas facilidades e novas obrigações (MONTEIRO e TEIXEIRA, 2004).
Deste modo, a escola tem papel fundamental para cativar seus alunos. Precisa perceber as suas exigências, as suas transformações e fazer o possível para ajustar o ensino. Sendo a educação uma das repartições com maior repercussão no futuro de uma nação, é fundamental que conduza as transformações do mundo e adapte as que melhor se enquadrem no seu dia-a- dia. O quanto antes melhor, pois, quanto menos a escola se protelar, mais auxiliará, para diminuir a distância que a separa do mundo real (MONTEIRO e TEIXEIRA, 2004).
Apesar do empenho de alguns setores, o sistema educativo está ainda distante da realidade. Compreendemos e percebemos que a escola e o que nela se assimila parece fazer cada vez menos sentido para o aluno. Os nossos alunos se identificam completamente com as novas tecnologias, a internet, os smartphone, enfim, com o universo digital, pois, eles têm um grande faro e desejo por esse universo (LOPES e PAIVA, 2008).
Observamos que existem inúmeros trabalhos realizados na formação de professores, porém, percebemos que o problema persiste. Assim, buscamos direcionar nosso trabalho com outro foco, inserindo os pais nesse ambiente de aprendizagem. Acreditamos que ao lado dos pais, a aprendizagem será efetiva, pois os filhos estarão mais seguros, motivados e com um vínculo afetivo forte (LOPES e PAIVA, 2008).
é que as práticas podem ser esboçadas e efetuadas? Quais são os frutos de um melhor diálogo, convívio e partilha através dos importantes contextos na escola básica (Ensino Fundamental I, Ensino Fundamental II e Ensino Médio)?
1. 2. OBJETIVOS
Nas seções abaixo estão descritos o objetivo geral e os objetivos específicos desta dissertação
1. 2. 1. Objetivo Geral
Produzir um material de atividades exploratórias para pais e filhos, com experimentos de Física. O propósito é que pais participem ativamente da realização dos experimentos junto com seus filhos. Para avaliar os experimentos e seu impacto, realizamos uma oficina supervisionada com pais e filhos.
1. 2. 2. Objetivos Específicos
Elaborar e aplicar uma oficina abordando os conteúdos de eletrostática, eletrodinâmica, eletromagnetismo e termodinâmica, com pais de alunos do Ensino Fundamental I (4º e 5º ano);
Contribuir para a formação científica dos pais, visando que, com o apoio deles,
Os alunos sentem-se significativamente mais seguros e preocupados em compreender; Desenvolver a oficina na busca de que os pais possam proporcionar uma aprendizagem
significativa para seus filhos;
Construir juntamente com os pais e os filhos os experimentos que serão realizados na oficina;
Permitir aos pais e filhos relacionar os conteúdos trabalhados nos experimentos com sua vida cotidiana e estendê-los a outras áreas do conhecimento;
Facilitar aos pais a concepção de alguns conceitos de eletrostática, eletrodinâmica, eletromagnetismo e termodinâmica;
Ressaltar a importância da relação pai – aluno – escola – conhecimento e o aspecto emocional envolvido em todas as interações.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2. 1. A IMPORTÂNCIA DA INTEGRAÇÃO DOS PAIS NA ESCOLA
A parceria entre família e escola é um dos motivos para o sucesso desse projeto. Com isso, abrem-se ótimos pontos de vista de se conseguir produzir, ou reproduzir, o gosto por aprender. Pais e filhos, juntos realizando experimentos de ciências; juntos a verificar, identificar e pesquisar uma determinada atividade. Não poderá isto propiciar, instigar e corroborar a ligação pais-filhos? Não poderá isso engajar os pais no processo de aprendizagem e torná-los mais participativos nas escolas?
Os pais tendem a melhorar a visão que os filhos têm da escola, isto é, acrescentar possibilidades face à escola, a adquirir novas capacidades educacionais aperfeiçoando as práticas educativas familiares e a determinar relações mais calorosas e recíproca com a instituição escolar que os incentiva como pessoas e cidadãos (LOPES & PAIVA, 2008).
Não nos parecendo uma missão fácil, é interessante cativar os pais para atuar no processo de ensino-aprendizagem dos filhos. Seria uma forma que iria para além do âmbito escolar, no olhar em que o aluno se fortalece ao aprender, ao ser confrontado com situações/problemas, através de experimentos, em que o envolvimento da família é inigualável, para a finalidade dos conceitos (LOPES e PAIVA, 2008).
É extremamente importante buscar e tentar desenvolver desde muito cedo nas crianças a competência de saber buscar a referência desejada, selecionar, interpretar e orientar o seu preparo e avaliar o devido efeito. (LOPES e PAIVA, 2008).
Quando se sentem admirados e incentivados como pessoas e como profissionais, os professores confirmam a sua capacidade de mediação. Da perspectiva organizacional, as instituições em que os professores cooperam com os pais, acabam tendo uma relação mais aberta, calorosa e democrática sendo preparados para gerir a heterogeneidade do público escolar como um fator positivo. A sociedade, a família e a escola são três contextos essenciais no universo do estudante. A união entre eles pode fazer a diferença no avanço da qualidade da aquisição dos conhecimentos, da visão da escola e da dinamização local (LOPES e PAIVA, 2008).
Tradicionalmente, as famílias e as escolas têm sido encaradas como entidades que simbolizam uma eficácia na evolução das crianças. Entretanto, as comunidades têm sido objetos de uma atenção especial no que se refere ao papel que simbolizam a socialização dos mais
novos, assim como o motivo de garantir o sucesso dos alunos em vários domínios sociais (LOPES e PAIVA, 2008).
Os professores buscam sempre encontrar formas de criar parcerias de trabalho com as famílias de um jeito positivo e como abranger a sociedade, dessa forma, contribuindo com o sucesso escolar dos alunos. As famílias procuram saber se as instituições estão promovendo um ensino de qualidade aos seus filhos e também buscam auxiliar as suas crianças. Os alunos pretendem alcançar o sucesso na escola, mas tem a noção que necessitam ser encaminhados, segurados e encorajados pelos seus pais, professores e todos os demais componentes da comunidade (LOPES e PAIVA, 2008).
São muitos os motivos que levam ao progresso no processo de ensino-aprendizagem quando reunimos escola, família e comunidade. Essa união deve contribuir com os projetos das escolas. O ambiente e a cultura são definições que dão alguma afinidade às escolas e que alteram de uma escola para outra. Podemos citar algumas vantagens de inserir os pais nesse ambiente: 1 – melhorar as competências e a autoridade dos pais e 2 – unir famílias com a comunidade escolar e com a comunidade em geral e relacionar com os professores na evolução do seu trabalho. Contudo, o motivo vital para fomentar e executar essa união é auxiliar e apoiar os estudantes a ter sucesso na sua formação como cidadão e agente ativo no próprio aprendizado (LOPES e PAIVA, 2008).
Os estudantes geralmente são a ligação de informação sobre a vida na escola. Com a parceria dos pais, os professores auxiliam os alunos a entenderem e a conduzirem as tradicionais comunicações com as famílias (LOPES e PAIVA, 2008).
Essa união procura desenvolver atividades para envolver, guiar, instigar e fomentar os alunos, levando-os à autoaprendizagem. O mais importante é saber se uma criança se sente animada e interessada para trabalhar e fortalecer o seu papel enquanto aluno e, caso isso aconteça, é notório que dê o seu melhor para aprender, para ler, escrever, calcular e adquirir outras competências e talentos e, como resultado, continuar na escola (LOPES e PAIVA, 2008). Sendo as atividades experimentais um instrumento de trabalho com capacidades tão amplas, por que não utilizar nos programas curriculares existentes? Dificilmente quem utiliza vai cair no marasmo. A atividade experimental é um recurso transformador e os estudantes os manipulando podem efetuar um trabalho que mais tarde lhes dará experiência para uma vida ativa, desenvolvendo atitudes como o trabalho colaborativo ou a pesquisa sobre questões concretas e atuais, passando pelo diálogo com seus próprios pais, ou com qualquer outra pessoa, para se privilegiar da sua sabedoria, suas práticas e segurança. A atividade experimental é uma forma natural e excitante de facilitar o processo de ensino-aprendizagem, fator acrescido para
que faça sentido ingressar este novo meio no ensino (LOPES e PAIVA, 2008).
Acreditamos que atividades experimentais agilizam e aumentam a compreensão e que, além disso, prendem por mais tempo a atenção dos alunos. Isto acontece porque os meios usados – imagem, som, movimento – tem como propósito captar a atenção dos estudantes. Um bom motivo para utilizar os experimentos é porque quando outros recursos são usados, a maioria dos alunos não capta tanto a informação quanto deveria, sendo comum eles nem prestarem atenção (LOPES e PAIVA, 2008).
Propor atividades onde os alunos estarão inseridos em um ambiente de ensino não formal pode ser válido, pois pode fornecer recursos didáticos para o aprendizado que a escola não possui (CHINELLI, PEREIRA e AGUIAR, 2008).
Dependendo do entendimento do estudante, ele pode observar dados significativos em um espaço não formal de ensino. Enquanto que na escola o aluno pode não conseguir fazer a relação desse conteúdo ou não atingir a profundidade esperada pelo professor (CHINELLI, PEREIRA, e AGUIAR, 2008).
Limitando o ensino de Física apenas ao âmbito escolar, a instituição intuitivamente assume a postura de se achar autossuficiente no conhecimento de Física ou admite sua intencionalidade ou desconhecimento de decisão da perpetuação das deficiências no Ensino de Física (PINTO e FIGUEIREDO, 2010).
As atividades de ensino de Física no espaço escolar quase sempre se apoiam no conteúdo curricular do livro didático, onde a presença dos conceitos científicos fica limitada ao conceito dos livros e a explicação do quadro. A aprendizagem neste sentido acaba na maioria das vezes, sendo muito teórica, sem aspectos mais reflexivos sobre o aprendizado e o cotidiano (CHINELLI, PEREIRA e AGUIAR, 2008).
Tendo a possibilidade de utilizar um ambiente não formal é extremamente possível executar metodologias como as atividades experimentais que possibilitam ao estudante adquirir ou aperfeiçoar seus conhecimentos de forma lúdica, comunicativa e inovadora. Estes ambientes de aprendizagens são ricos em diálogo, pois não são limitados a sala de aula, onde acontece uma relação fechada entre professor e aluno, mas aberto a toda forma de interação voltada para procura do conhecimento, onde o erro não é encarado como uma reprovação. Esse ensino mostra que é possível criar interações sociais entre os componentes, tendo como consequência uma aprendizagem efetiva e coletiva entre os indivíduos. É interessante observar que a curiosidade, o lúdico, o cotidiano e o contexto socioambiental e histórico que muitos desses ambientes não formais fornecem, podem ser o fio condutor para aprendizagens significativas (PORTO et al., 2011).
A medida que o aluno se depara com os conceitos abordados em uma aula tradicional, ele pode decidir absorver esse conteúdo de maneira literal, e desse modo a sua aprendizagem será mecânica, pois ele só conseguirá explicar esse conteúdo de um modo análogo a aquela que lhe foi exibida. Nesse caso, não existiu um entendimento efetivo do que lhe foi exposto e o aluno não conseguirá transferir esse conhecimento para a solução de problemas do cotidiano (PINTO e FIGUEIREDO 2010).
Todavia, quando o aluno tem pela frente uma nova forma de conquistar o conhecimento, é possível fazer ligações entre esse material que lhe é mostrado e o seu conhecimento prévio em assuntos correlatos. Ele estará edificando significados pessoais para essa informação, convertendo em conhecimentos, em significados sobre o conteúdo apresentado. Essa construção de significados não é uma apreensão literal da informação, mas é uma percepção substantiva do material apresentado, e desse modo se configura como uma aprendizagem significativa.
Na perspectiva construtivista, é através da experiência adequadamente escolhida e criativamente utilizada que o estudante questiona, formula, opera e conclui, elaborando um processo próprio de aprendizagem que supera a simples assimilação de conhecimentos prontos, o que permite uma aprendizagem significativa e duradoura. (ROMERO, 2015)
É através de exercícios e estímulos oferecidos pelo meio que os cerca, que o aluno adquire o conhecimento, ou seja, é construído numa interação entre o meio e o indivíduo. Dessa forma, a aprendizagem fará sentido para a vida do aluno (ROMERO, 2015).
Ainda, segundo Romero (2015), o aluno estará conquistando sua autonomia, pois, será construída a partir das decisões e das experiências proporcionadas. Já, segundo Paulo Freire citado por Zatti (2007) a conquista da autonomia é um passo importante para o aluno, ela envolve também a capacidade de realizar, a liberdade de pensar de se guiar por princípios que concordem com a própria razão. Tendo um tutor mediador (os pais), é possível adquirir essa autonomia, onde os dois aprendem e ensinam mutuamente (ZATTI, 2007).
Após adquirir essa autonomia, acredita-se que o aluno tenha mais liberdade em expressar sua opinião, participe da sociedade de forma mais ativa consiga desenvolver a capacidade de criar suas próprias representações do mundo (SILVA, 2009).
Sabemos que a criança e ao adolescente tem no professor e nos pais um exemplo a ser seguido. Por isso, observando o envolvimento dos pais nessas atividades, é possível garantir que a criança questionadora, criativa, cheia de dúvidas e de preconcepções, não se apague (LOPES e PAIVA, 2008).
Por esse motivo, se faz necessário aguçar e instigar esse espírito crítico. Dessa forma, após um estudo da importância do Ensino de Ciência nas séries iniciais e observando as dificuldades dos profissionais que neles trabalham. Tendo como incentivo primordial os pais, sendo exemplos na formação de um cidadão consciente, crítico e autônomo (LOPES e PAIVA, 2008).
Percebemos que não existe a necessidade de um ambiente cheio de recursos e com grandes estruturas, vemos que é possível sim, instigar a curiosidade das crianças para que ao chegar no Ensino Médio tenham uma melhor visão da disciplina de Física e Ciências em geral (LOPES e PAIVA, 2008).
A proposta deste trabalho foi escrever um livro com dez atividades experimentais em que os pais possam realizar com seus filhos. O público alvo do livro são os pais e alunos do 4º e 5º ano do Ensino Fundamental I, crianças entre 9 e 11 anos. Para testar o material foram realizadas oficinas supervisionadas (LOPES e PAIVA, 2008).
As oficinas propostas tiveram como auxílio o livro com os roteiros experimentais, onde constaram informações pertinentes ao experimento realizado. Ao final da oficina avaliamos o livro, utilizando as percepções dos pais como base para melhorias (LOPES e PAIVA, 2008).
Este material pretende minimizar as dificuldades encontradas no Ensino de Ciência nas séries iniciais, refletindo nos anos seguinte, quando os alunos chegam ao Ensino Médio desmotivado e sem interesse em aprender física (LOPES e PAIVA, 2008).
O que se espera é que as atividades possam envolver os pais e alunos, motivando-os a buscar a experimentação, em casa, como forma de aprendizado. Sabendo da importância do vínculo pai e filho no processo de ensino – aprendizagem. Que os conceitos abordados ao longo dos experimentos sejam motivadores e emancipadores, possibilitando uma maior compreensão e aprendizagem significativa (LOPES e PAIVA, 2008).
O ensino de ciência em espaço não formal, tem sido utilizado como intuito de descrever ambientes diferentes das salas de aula nos quais é possível o desenvolvimento de atividades educativas (PORTO et al., 2011).
A educação não formal, no nosso caso, com auxílio dos pais, pode ser grande aliada no ensino realizado na sala de aula. Assim, o aluno estará mais comprometido, constantemente engajado com o conteúdo estudado e motivado a seguir seus estudos (PORTO et al., 2011).
Para a construção da oficina serão levados em consideração alguns fatores relevantes levantados por Lopes e Paiva (2008) dos quais a parceria escola – família – comunidade, indica que a aprendizagem é realizada com maior sucesso quando se processa num ambiente em que professores e pais cooperam.
Outro objetivo do livro é fazer pais e filho perceberem que o conceito a ser abordado é interessante e pode ser aprendido. Dessa forma, o aluno será desafiado a resolver problemas e relacionar com os conhecimentos prévios. Ele poderá perceber que a resolução dos mesmos existe e pode ser útil para o seu dia a dia. Que essas soluções podem ser encontradas ao longo das atividades, se sentindo satisfeito por observar que o objetivo foi alcançado devido ao esforço, comprometimento, dedicação e cooperação (LOPES e PAIVA, 2008).
2. 2. A FÍSICA DOS CONTEÚDOS ABORDADOS NO PRODUTO DIDÁTICO.
Energia é um conceito bem complicado e difícil de ser compreendido no estudo da física. Essa dificuldade é por conta de se tratar de um conceito muito abstrato, pois, os nossos sentidos não podem perceber, ou seja, não podemos ver, cheirar ou tocar a maior parte das formas de energia, mas sim, verificar as suas causas e efeitos (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
É necessário tempo e esforço para compreender energia. As teorias sobre a origem do universo, das galáxias e do sistema solar, bem como os mecanismos que condicionam todos os movimentos estão embasados no conceito de energia. Entretanto, energia não está apenas associada a fenômenos complexos, como a manutenção da vida; a formação e expansão do universo; o nascimento, vida e morte das estrelas; o funcionamento das usinas hidrelétricas, usinas nucleares, etc. Esse conceito está envolvido nos fenômenos mais simples que ocorrem na natureza, como jogar um objeto para o alto ou um banho quente no inverno, por exemplo (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
A maior parte dos brasileiros sofreram os efeitos de uma crise energética denominada popularmente “apagão” no ano de 2001. Enumera vários motivos que levaram a tal crise, entretanto duas delas são mais consideráveis: as represas de usinas hidrelétricas estavam com os níveis de água abaixo do limite, por conta de um grande intervalo de tempo de seca que antecedeu o verão e, preventivamente, não ter havido investimento do governo no setor energético (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
É possível perceber que ao falar em energia, não basta uma definição do termo. É imprescindível compreender o que chamamos de energia, como surge, para que serve, quais dos nossos sentidos a percebem e refletir sobre as implicações do seu conceito estudado da Física (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Segundo Antoine Laurent Lavoisier (1743 - 1794), químico francês, enunciou a seguinte frase: “Na natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma”. Essa citação nos dá
informações sobre dois aspectos: O primeiro deles é um dos focos de nosso estudo: a transformação de energia de uma forma em outra. Em um fogão a gás, a queima do gás combustível libera energia na forma de luz e calor. O calor, proveniente da chama é transferido para os alimentos, os cozinhando (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Outro exemplo é a batedeira, onde a energia elétrica, proveniente da rede elétrica, se transforma durante o funcionamento da bateria, em energia de movimento, energia cinética. Mas nem toda energia elétrica é transformada em energia cinética. Parte dela se transforma em som e calor, que é o barulho e o aquecimento do aparelho (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
O segundo é que a transformação que o homem provoca no meio em que vive. Ao destruir as matas nativas, o homem modifica o habitat natural, rico e diversos da fauna e da flora, e retira o patrimônio natural importante para a sua própria sobrevivência. Terras estéreis, pois não há reposição das substâncias de que a terra necessita em vários períodos de cultivo; erosão, evitando a retenção das chuvas, que escorrem para os rios, arrastando camadas de solo que não permitem sua vazão, uma das consequências de grandes enchentes; alterações no clima são algumas das inúmeras citações que poderíamos fazer (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Nos antigos impérios, a energia “para movimentar coisas” não era apontada como um grande problema, pois o contingente escravo sanava as necessidades de transporte, inclusive nos engenhos. Embora a roda-d’água, ou roda hidráulica, já fosse conhecida na Ásia, se tem notícias de que só no século I a.C. surgiram os primeiros engenhos com o emprego da força motriz da água pelos antigos gregos e romanos que viviam na região do Mediterrâneo (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Primeiramente, a tecnologia foi usada para a moagem. Nessa engrenagem, a queda da água sobre as pás da enorme roda propulsava o seu movimento rotativo. Esta transferia o movimento para o eixo da moenda de pedra, fazendo-a girar sobre outra pedra fixa, triturando os alimentos. Esse era o primeiro protótipo de uma usina, transformando energia potencial (quedas das águas) em energia cinética (do movimento) (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
A partir do ano 1000 d.C., a roda-d’água se propagou pela Europa, inicialmente para movimentar moinhos utilizados principalmente para moagem de grãos, triturar e esmagar cereais, serrar madeiras, etc. No século XVI, esse aparato exerceu um papel importantíssimo para a industrialização da Europa, mesmo com as limitações, pois, para ter grande produção de energia era necessário que fosse instalado em local onde existisse um rio com uma determinada corrente de escoamento e diferença no nível de queda das águas (ROCHA et al., 2011).
É possível perceber que o termo energia é muito mais abrangente do que imaginamos. A energia está presente desde que a Terra começou a ser formada por isso o interesse em estudá-la
e compreendê-la (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
2. 2. 1. Eletrostática
Apesar das partículas que constituem a matéria serem microscópicas, as interações elétricas entre elas são enormes. Essas partículas, quando eletricamente carregadas, se repelem ou se atraem por uma força chamada força elétrica (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
É muito antiga essa noção de força elétrica e ela tem origem em experimentos muito simples. Desde o século VI a.C. bastões de âmbar eram esfregados em lã, pele de animal, fazendo-os atrair pequenos pedaços de corpos leves, tais como palha, folhas, dentre outras coisas (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Hoje se sabe que as partículas eletricamente carregadas, mais precisamente o elétron, no processo de atrito, é transferido de um corpo para o outro. Dessa forma, ao atritar o âmbar (matéria viscosa conhecida como resina, proveniente das árvores), em lã de animal, o âmbar ganha cargas negativas, proveniente da lã e, por isso, fica carregado. Por sua vez, a lã, passa a ficar carregada, com carga oposta ao âmbar (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Ao se referir a carga elétrica falamos da carga líquida ou excesso de cargas no material. Em virtude das polaridades opostas dos prótons e elétrons, foram designados sinais positivos (prótons) e negativos (elétrons) às cargas elétricas (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
No caso de existir um excesso de elétrons comparado aos prótons, dizemos que o corpo está carregado negativamente. No caso de existir menor quantidade de elétrons que de prótons, o corpo está carregado positivamente. Ou seja, é considerado material eletrizado aquele que possui mais carga de uma determinada polaridade (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Se o número total de prótons e elétrons é igual, o corpo está num estado eletricamente neutro, sem carga positiva ou negativa em excesso. É importante enfatizar que os corpos eletrizados ganham ou perdem elétrons, uma vez que os prótons estão mais fortemente ligados ao núcleo e não conseguem sair de um corpo e ir para outro (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
O estudo da eletrização por atrito teve um grande desenvolvimento durante o século XVIII. Em 1750, os equipamentos de gerar eletricidade faziam grande sucesso nos salões da alta sociedade inglesa, não por suas potencialidades científicas, mas como entretenimento (ROCHA et al., 2011).
Lord Kelvin, em 1890, elaborou um equipamento com a propriedade de armazenar uma quantidade muito grande de eletricidade. Contudo, ele não pôde dar continuidade ao seu projeto
e quem o finalizou foi Robert Jemison Van de Graaff (1901 - 1967), em 1929. Por este motivo, ficou sendo chamada pelo nome de gerador de van de graaff, o precursor dos aceleradores de partículas empregados nas pesquisas nucleares (ROCHA et al., 2011).
Um efeito típico de eletricidade estática, em nosso corpo ocorre quando se usam roupas de lã, náilon, poliéster e similares; em dias secos, ao retirá-las, é bastante comum escutarem estalidos e, na escuridão, é possível visualizar minúsculas faíscas (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Esse efeito também pode ser verificado após se andar por um carpete arrastando os pés, acumulando elétrons no corpo em seguida tocar em uma maçaneta metálica. Um pequeno choque será percebido, por conta da descarga elétrica, ou seja, transferência rápida e abrupta de elétrons entre um corpo e outro (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Nos automóveis em movimento é possível e comum de acontecer esse tipo de eletrização. Isso acontece, porque o carro está a todo momento sendo atritado com o ar, podendo seus passageiros, ao entrar ou sair do veículo, sentirem um pequeno choque, ou seja, uma descarga elétrica. Esse é um dos motivos pelos quais os caminhões que carregam combustíveis, terem em sua parte traseira uma corrente pendurada em permanente contato com o chão. Isso faz garantir que a eletrização ocasionada pelo atrito, seja continuamente descarregada para o chão, impedindo a formação de faíscas, que podem colocar em risco a segurança e iniciar um incêndio (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Na Figura 1, apresenta-se um esquema de como pode ocorrer alguns processos de eletrização: atrito e indução. A eletrização por contato consiste em encostar um corpo que esteja eletrizado em outro corpo eletricamente neutro. Assim, as cargas elétricas irão se separar e fazer uma nova distribuição entre os dois corpos, eletrizando o corpo eletricamente neutro, até que a igualdade de cargas seja alcançada.
Figura 1 - Processos de eletrização
Fonte: HEWITT (2002)
A presença de um corpo eletricamente carregado (indutor) próximo a um corpo neutro (induzido), sem contato, promove a separação das cargas no corpo neutro. Nesse caso, as cargas
de sinal contrário ao do indutor serão atraídas para a extremidade mais próxima dele e as cargas de mesmo sinal serão repelidas para a extremidade oposta. Se utilizarmos um fio terra, na extremidade mais distante do indutor, para deixar as cargas fluírem para o chão, ao retirar o fio, será obtido um corpo eletrizado com carga de sinal contrário ao do que lhe deu origem (PORTO
et al., 2011).
Portanto, a eletrização, seja por atrito, seja por contato ou indução, fundamenta-se em fornecimento ou retirada de elétrons do corpo. Se há perdas de elétrons, o corpo ficará positivamente eletrizado; se há ganho de elétrons, o corpo ficará negativamente eletrizado. Como propriedade elétrica, corpos eletrizados com cargas iguais se repelem, corpos eletrizados com cargas contrárias se atraem. Esse tipo de interação é muito mais forte que a interação gravitacional. Contudo, existem diferenças fundamentais entre as duas interações: a elétrica e a gravitacional. São de naturezas diferentes: a interação gravitacional entre duas massas tem caráter apenas atrativo, enquanto a interação elétrica pode ser atrativa ou repulsiva (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011)
Quando duas ou mais cargas elétricas estão próximas, surge entre elas uma força elétrica, que é uma força conservativa. Assim, podemos atribuir uma energia potencial elétrica e um campo associado a esse sistema (NUSSENZVEIG, 2009).
A força eletrostática, tal qual a força gravitacional, é uma força conservativa, porque o trabalho realizado por essa força não depende do caminho percorrido pelas cargas. Ela é definida como:
⃗ = | |∙| | (1)
Onde Q1 e Q2 são as cargas das partículas, d é a distância entre as partículas e εo é a permissividade elétrica no vácuo (NUSSENZVEIG, 2009).
Um exemplo de força a distância é a força exercida por uma carga sobre a outra. E é bem difícil compreender esse termo de ação a distância. Qual é o mecanismo através do qual uma partícula pode exercer uma força sobre outra através do espaço vazio entre elas? Caso mova repentinamente uma partícula carregada no espaço, será que a força exercida na segunda partícula, que está a certa distância d, varia instantaneamente? Para entender o termo ação à
distância é preciso introduzir o conceito de campo elétrico. Uma carga produz um campo elétrico em todos os pontos do espaço e este campo exerce uma força na segunda carga (TIPLER e MOSCA, 2000).
O campo elétrico gerado por uma partícula com carga q em um campo distante d é:
⃗ = (2)
A ideia básica é que uma distribuição de cargas no espaço vazio afeta todos os pontos do espaço, produzindo em cada um deles um valor do campo elétrico, e a carga de prova revela a existência desse campo pela força nela exercida (NUSSENZVEIG, 2009).
Chama-se fluxo do campo elétrico através de um elemento de superfície dS a grandeza dϕ
definida por
∅ = ⃗. ⃗ (3)
Como qualquer distribuição de cargas pode ser decomposta em elementos de carga assimiláveis a cargas puntiformes, e o campo resultante, pelo princípio da superposição, é a soma dos campos de todos os elementos, resulta então a lei de Gauss:
∅ = ∮ =
0
(4)
É possível detectar a presença de carga dentro de uma superfície fechada pelo fluxo do campo elétrico através desta superfície, da mesma forma que se pode detectar a presença de fontes de fluido dentro de uma superfície fechada medindo a vazão total do fluido através dela. Podendo assumir que as cargas são as fontes de campo eletrostático (NUSSENZVEIG, 2009). Assim como o campo gravitacional, o campo eletrostático é conservativo. Isso possibilita simplificar sua descrição, reduzindo-se a uma única função escalar, o potencial eletrostático. Assim, o trabalho realizado para transportar uma carga de prova de um ponto P1
até um ponto P2, independe do caminho e isso define a diferença de potencial, ou seja, é o
trabalho que tem de ser realizado contra a força exercida pelo campo para levar uma carga de um ponto ao outro.
( ) = − ∫ ⃗∞ . ⃗= 4
0
(5) Para o potencial coulombiano de uma carga na origem. Ele representa o trabalho por unidade de carga necessário para trazer uma carga de prova desde uma distância infinita até uma distância r da carga q. O potencial coulombiano de uma carga cai com 1/r, em lugar de 1/r2, como o campo.
2. 2. 2. Eletrodinâmica
Podemos observar as cargas elétricas nos circuitos elétricos, os quais exercem um papel muito importante no nosso cotidiano, desde a iluminação de uma simples lanterna até sistemas mais sofisticados, como as associações feitas em nossas casas e comércios. Ou ainda, nas transferências de energia por meio das linhas de transmissão, desde a companhia de energia elétrica até as residências e estabelecimentos comerciais. Então, um circuito elétrico pode ser entendido basicamente como um caminho para que a energia elétrica seja percorrida de um ponto para outro (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
O termo corrente tem como significado, não encontrar obstáculo, ou seja, fluir naturalmente como a água em um rio. Podemos dar outros exemplos e fazer analogias sobre o termo corrente, o fluxo de corrente de água em uma mangueira de jardim, determinado por um canal de entrada de água e outro de saída, no interior da mangueira a água flui, em um sentido determinado; o fluxo de corrente sanguínea, determinado pelo coração (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Este órgão conecta entradas e saídas de sangue, bombeando o líquido em um determinado e único sentido. Assim é possível imaginar o fluxo de cargas elétricas dentro de um fio condutor, determinando o termo corrente elétrica. Para ter um fluxo, é necessário um agente externo que propicie o movimento em um sentido e necessita também de um meio, por onde as cargas fluem (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Por esse motivo, plugamos os aparelhos numa fonte de energia estabelecendo uma diferença de potencial, sendo este o agente externo da corrente elétrica. Um fio de cobre pode ser o meio por onde se estabelece o fluxo de carga elétrica em movimento. Como consequência das cargas elétricas em movimento podem ser produzidos campos magnéticos, radiação eletromagnética, além de calor (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Somente a partir do século XVII a curiosidade sobre os fenômenos elétricos passou a se constituir em um problema de pesquisa. A partir deste, os cientistas começaram a descrever uma série de substâncias que tinham a capacidade de conter o que chamavam de “virtude
elétrica”. Enquanto alguns materiais podiam ser facilmente eletrizados por atrito, ficando no
estado de eletrização por um longo tempo, outros não podiam ser eletrizados, ou seja, não mantinham a virtude elétrica (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
No início do século XVIII, os pesquisadores começaram a classificar as substâncias como elétricas ou condutoras e não elétricas ou isolantes. Stephen Gray, em 1730, realizou experiências para mostrar que a virtude elétrica podia ser conduzida de um corpo a outro por
um fio horizontal, a grandes distâncias, desde que o fio estivesse suspenso por fios de seda. Depois que a distinção entre materiais condutores e isolantes, foi feita, os pesquisadores descobriram que um material não elétrico se tornava altamente eletrizado, caso fosse apoiado sobre vidro ou suspenso por fios de seda (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Existe uma discrepância elétrica entre condutores e isolantes, pois, tais propriedades dependem da mobilidade dos portadores de cargas elétricas, que são os elétrons ou íons. Os metais são bons condutores de corrente elétrica, pelo mesmo motivo que também são bons condutores de calor (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Os materiais que não conduzem bem a corrente elétrica são maus condutores de calor; tais materiais são chamados de isolantes. Os condutores diferem em sua condutibilidade elétrica com relação aos isolantes, como o vidro e o plástico, por um fator de ordem 20 de grandeza (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Considerando como exemplo, um segmento de um bom condutor como o fio de cobre, apesar de os elétrons livres, também chamados elétrons de condução, estarem em movimento perpétuo e aleatório, com uma velocidade de 106 m/s, não há nenhum fluxo resultante de cargas elétricas através desse segmento de fio, pois, o movimento não é ordenado em um mesmo sentido (NUSSENZVEIG, 2009).
Pergunta: por qual motivo a instalação de uma bateria tem como efeito produzir uma corrente elétrica? Quando se conectar a bateria entre os extremos dos terminais de um circuito elétrico qualquer, ela produz um campo elétrico entre os dois terminais. Esse campo elétrico é o responsável por fazer as cargas elétricas terem um sentido preferencial e se movimentarem no circuito elétrico. O movimento de cargas elétricas, denominado fisicamente corrente elétrica, é representado pela letra i (NUSSENZVEIG, 2009).
Considerando uma quantidade de carga atravessando, a secção reta transversal de um fio condutor, como mostra a Figura 2, a intensidade de corrente elétrica i, é definida como sendo a razão entre a variação da carga elétrica que atravessa a superfície da área de secção reta transversal, no intervalo de tempo correspondente (NUSSENZVEIG, 2009).
Fonte: HALLIDAY, RESNICK, WALKER, 1996
= (6)
É importante ressaltar que, por convenção, a direção da corrente elétrica é oposta à direção do fluxo de elétrons. Para uma análise da relação da corrente elétrica: se tem que a unidade de intensidade de corrente elétrica no Sistema Internacional é o ampère, representado pela letra A, em homenagem a André-Marie Ampère (1775 - 1836), físico e matemático francês, responsável por mostrar a relação entre a Eletricidade e o Magnetismo (NUSSENZVEIG, 2009).
De forma que 1,0 ampère (A) é equivalente a uma carga elétrica de 1,0 coulomb (C) atravessando uma superfície em 1,0 segundo (s) ou seja: 1,0 A = 1,0 C/s; a corrente elétrica, da mesma maneira como a carga elétrica e o tempo é uma grandeza escalar. Normalmente nos circuitos, existe uma seta representando o sentido de fluxo de carga elétrica. Vale ressaltar que essa não é uma indicação vetorial (NUSSENZVEIG, 2009).
Reforçando, a corrente elétrica não é uma grandeza vetorial; a carga elétrica é uma grandeza que se conserva, ou seja, a soma algébrica de todas as cargas elétricas que existe em um sistema isolado permanece sempre constante; este é o princípio da conservação da carga elétrica (NUSSENZVEIG, 2009).
A corrente elétrica dentro de um meio material resulta da resposta das partículas carregadas deste meio às forças a elas aplicadas. Em geral, o que interessa é a resposta a um campo elétrico. Essa resposta depende da natureza do meio material. Para uma grande variedade de materiais isotrópicos líquidos e sólidos (não para gases), a relação é dada pela lei de Ohm, formulada em 1826, por analogia com a lei de condução de calor (NUSSENZVEIG, 2009).
Se pegar um trecho dl de um fio condutor de secção transversal S sobre o qual a
corrente i é longitudinal e homogênea, ou seja, a mesma em qualquer ponto da secção S; Pela
lei de Ohm, o mesmo acontece com o campo. A diferença de potencial dV entre as secções
inicial A e final B é:
− = ≈ ∫ . = (7)
Pois ⃗ é uniforme e paralelo a dl, essa é a queda de potencial no sentido da corrente. Por
= ∫ → . = → . → = ⃗. ⃗ (8)
Onde → é a densidade de corrente, ou seja, corrente por unidade de área e sua unidade é A/m2 e → é a superfície que determinada corrente atravessa.
Logo,
= , (9)
E, se o fio tem secção constante, obtemos para um comprimento l de fio, entre os pontos A e B:
− = = , (10)
Onde,
= = (11)
E, chama a resistência do fio entre os pontos A e B, ρ é a resistividade do material.
Vemos que a resistência de uma porção do fio é diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional à área da secção transversal do fio (NUSSENZVEIG, 2009). A unidade de medida da resistência chama ohm e é representada por Ω onde 1 (ohm) = 1 Volt/ 1 Ampère. É necessário fornecer energia para poder transportar uma carga através de uma
diferença de potencial. Assim, para manter uma corrente durante um tempo através de um potencial, é preciso prover energia, o que corresponde a uma potência, energia por unidade de tempo (NUSSENZVEIG, 2009).
≡ = , (12)
Onde para 1 A de corrente elétrica e 1 V de potencial resulta em 1 W (watt) (NUSSENZVEIG, 2009).
Como em outros processos onde há atrito, a energia é dissipada sob a forma de calor, como num chuveiro elétrico, por exemplo. Podendo também produzir radiação térmica visível, como no aquecimento ao rubro da resistência de um aquecedor ou fogão elétrico. Em termos
da resistência R do condutor, a potência dissipada é:
= = , (13)
Essa conversão de energia elétrica em calor é conhecida como efeito joule: foi descoberta por joule no decurso de suas experiências sobre o equivalente mecânico da caloria (NUSSENZVEIG, 2009).
2. 2. 3. Eletromagnetismo
Da mesma maneira que o âmbar chamava atenção por ter a propriedade de atrair pequenos fragmentos de materiais leves, o ímã também despertava curiosidade e interesse das pessoas por atrair determinada classe de materiais (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
As primeiras impressões a respeito do magnetismo, bem como de sua influência nos seres vivos precedem dos tempos mais remotos da História. Hoje, sabemos que se trata de um mineral contendo óxido magnético de ferro, a magnetita que séculos antes da era Cristã, os gregos já comentavam das propriedades dessa pedra (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Foi Tales de Mileto (640 - 550 a.C.), filósofo grego que realizou uma série de experiências sobre a eletrização dos corpos, indicando os primeiros estudos sobre os fenômenos elétricos e magnéticos (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Tales também observou a existência de pedras da região de Magnésia, antiga cidade situada no oeste da atual Turquia, com a capacidade de atrair e repelir alguns materiais: eram as pedras-ímãs. Essas pedras eram também utilizadas por gregos e por chineses das mais diversas formas, da terapia à diversão, devido ao seu poder de atração e repulsão (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Ao longo da história as pessoas aprenderam a manusear a magnetita. A bússola foi a primeira aplicação prática, foi inventada por volta do século II. A bússola, é uma agulha magnetizada flutuando na superfície da água ou suspensa, pelo centro, por um fio. Esse equipamento se tornou indispensável e até obrigatório, nas viagens dos chineses, tanto por terra como por mar (PORTO et al., 2011).
Girolano Cardano (1501-1576) foi quem definiu as diferenças entre as atrações do âmbar e da magnetita. Devido à semelhança entre os fenômenos elétricos e magnéticos, durante um longo período, esses dois fenômenos foram confundidos como um só (ARAGÃO e
ARAGÃO, 2011).
Em 1600 com a publicação da obra De Magnete de William Gilbert (1540-1603), foi exposto um estudo detalhado sobre o conhecimento que se tinha, até então, dos fenômenos elétricos e magnéticos (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Nessa obra foi demonstrado que os metais não podiam ser eletrizados por atrito e, dessa forma, passou a chamá-los de materiais não eletrizáveis. Em relação ao magnetismo, ele desenhou a forma das linhas de campo magnético de bolas esféricas de ferro magnetizadas, fazendo a aproximação de uma pequena agulha de bússola, comparando assim, com a ação da Terra sobre a agulha da bússola (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
O campo magnético bem como o campo elétrico pode ser representado por linhas de campo. Tais linhas podem ser observadas na Figura 3, ao se colocarem sobre um ímã em forma de barra, que nada mais é que um campo magnetizado, fragmentos de metal, como a limalha de ferro. Em resposta ao campo magnético produzido pelo ímã, os pequenos fragmentos de ferro se alinham com a direção do campo magnético (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Figura 3 - Limalha de ferro sobre um ímã de barra
Fonte: HEWITT (2002)
Para compor as linhas de campo magnético, é necessário ponderar que elas têm a mesma direção da agulha magnética de uma bússola, quando colocada nas proximidades do campo (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
O intervalo entre as linhas de campo simboliza a sua intensidade, percebemos que esta será mais intensa nos pontos em que as linhas de campo estão mais próximas e menos intensa do contrário. As linhas de campo magnético também são chamadas de linhas de força magnéticas (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Gilbert também observou a impossibilidade de se obter um só polo magnético isolado. Isso quer dizer que repartindo-se um ímã sucessivamente em duas ou mais partes, serão obtidos ímãs com as mesmas propriedade originais. Não se pode obter polos isolados, apenas o polo sul ou somente o polo norte (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Foi em 1820, Hans Christian Oersted (1777 - 1851), Físico e Químico dinamarquês quem descobriu a relação entre Eletricidade e Magnetismo, ao verificar a deflexão da agulha de uma bússola ao ser aproximada de um fio em que percorria uma corrente elétrica. Dizem que pelo fato de se ter um respeito muito grande nos trabalhos de Newton, sobre a lei da gravitação universal, foi motivo que influenciou o modo de pensar de alguns estudiosos da época (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Jean Baptiste Biot (1774 - 1862) e Félix Savart (1791 - 1841), partindo de observações experimentais, mostraram como calcular o campo magnéticos produzido pela corrente elétrica, ficando esta conhecida como Lei de Biot e Savart (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
André Marie Ampère (1775 - 1836), três anos mais tarde, quando soube da descoberta de Oersted, se empenhou ao estudo dos fenômenos magnéticos realizando uma série de descobertas. Após esse estudo e descobertas, formulou uma regra para determinar a direção do campo magnético criado por um circuito elétrico (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
As linhas de forças magnéticas são necessariamente fechadas. Como já visto anteriormente, a lei de Gauss aborda o fluxo em uma secção de área. Dessa forma, podemos chegar à conclusão que no magnetismo o fluxo do campo magnético é nulo, pois, não podemos formar mono polos magnéticos, ou seja, toda linha de campo é uma linha contínua e fechada, saindo do polo norte (N) se deslocando para o polo Sul (S) por fora do ímã e do polo Sul retorna ao polo Norte por dentro do ímã, como ilustrado na Figura 4. (ARAGÃO & ARAGÃO, 2011).
Figura 4 - Linhas de campo magnético
As linhas de campo em torno de um fio retilíneo com corrente são circulares. Como consequência das experiências de Ampère essa circulação é proporcional à intensidade de corrente que atravessa essas linhas circulares, isto vale para correntes estacionárias. Ficou determinada como lei de Ampère, conforme a equação:
∮ = (14)
Onde, B é o campo magnético e sua unidade de medida é o Tesla (T) e μ0 é a permeabilidade magnética no vácuo (NUSSENZVEIG H. M., 2009).
Um campo magnético é produzido em um ponto distante de um circuito onde está passando uma corrente. Se deslocar o ponto para uma distância infinitesimalmente maior, teremos sob a forma de uma integral de linha ao longo do circuito a lei de Biot e Savart, que dá o campo magnético devido uma distribuição de corrente estacionária de acordo com a equação:
= ∮ = ( ̂) (15)
Michael Faraday (1791 - 1867), em 1831, descobriu, o fenômeno da indução magnética. Ele observou que ao passar uma corrente elétrica num fio enrolado em um anel, formando um equipamento chamado espira, gerou um campo magnético induzido (NUSSENZVEIG, 2009).
As equações de Maxwell apresentam o comportamento do campo elétrico e do campo magnético, e também de suas interações com a matéria. Este conjunto, formado por quatro equações, descrevem, respectivamente, a lei de Gauss, lei de Ampère e lei de Faraday. Maxwell mostrou que suas equações descrevem as ondas eletromagnéticas, que andam no vácuo, com uma velocidade de 299792458 m/s (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011). Em 1865, ele escreveu:
Esta velocidade é tão próxima das medidas realizadas para a velocidade da luz que parece que tenho fortes motivos para acreditar que a luz em si, incluindo o calor radiante, bem como outras radiações do tipo, é uma perturbação eletromagnética que propagada na forma de ondas através do campo eletromagnético de acordo com as leis do eletromagnetismo. (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
No entanto, sua hipótese foi comprovada por Heinrich Rudolf Hertz (1857 - 1894), ele mostrou que a luz é uma onda eletromagnética. Essa evidência é considerada uma das maiores descobertas da física do século XIX. Serviu como base para o desenvolvimento da teoria da relatividade restrita e para a teoria da unificação entre o Eletromagnetismo e a relatividade geral. Dessa forma, o formalismo matemático feito por Maxwell expressa uma síntese do
Eletromagnetismo do mesmo modo que as leis de Newton expressam uma síntese da mecânica (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Os fenômenos magnéticos podem ser vistos da mesma forma, possibilitando, portanto, que se faça comparação com os conceitos explorados no estudo da eletricidade. É necessário introduzir o termo campo magnético. O campo magnético é definido a partir da força magnética que atua sobre uma carga de prova, eletricamente carregada, em movimento (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Macroscopicamente, as propriedades magnéticas da matéria podem ser representadas por suas respostas a um campo magnético externo aplicado. Ímãs e equipamentos imantados, tais como fitas de gravação magnética, discos rígidos de computadores, dentre outros, derivam de especificidades magnéticas dos materiais de que são confeccionados. As especificidades magnéticas da matéria foram estudadas por Faraday, em 1845, ao perceber que as substâncias podem ser classificadas em diamagnéticas e paramagnéticas. Conforme ele, os materiais diamagnéticos são repelidos pelo campo magnético aplicado, enquanto os materiais paramagnéticos são atraídos pelo campo magnético (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Os materiais, onde as propriedades magnéticas permanecem mesmo após a remoção do campo magnético, são chamadas de ferromagnéticas, concretizando, dessa forma, três tipos de materiais magnéticos, quais sejam: diamagnéticas, paramagnéticas e as ferromagnéticas (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Os motores elétricos fazem uso da maior parte do trabalho realizado no mundo contemporâneo. Por trás do funcionamento de equipamentos dessa natureza estão compreendidas as forças de origem magnética. Não precisa de muitos argumentos para mostrar a importância do desenvolvimento dos motores elétricos. Atualmente, em virtude do fim das reservas de combustíveis fósseis. Salientamos, ainda, a sua importância nas questões ambientais, em virtude do baixíssimo nível de poluição ambiental, além da construção simples, baixo custo e facilidade de transporte (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
O motor elétrico é um equipamento que transforma energia elétrica em energia mecânica. Quando a eletricidade de uma bateria ou de outra fonte de alimentação é interligada a um motor, faz com que seu eixo comece a girar. A parte móvel de um motor se chama rotor. O rotor gira porque os fios e o campo magnético são acoplados de maneira que um torque seja aplicado sobre a linha central do rotor (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Em 1842, Faraday mostrou que uma corrente elétrica pode ser induzida em um circuito por um campo magnético que varia com o tempo, ou seja, que uma corrente elétrica é formada em um fio durante a travessia em um campo magnético variável. A interpretação física da
equação é que um campo magnético variável com o tempo produz um campo elétrico, que no caso, não é mais eletrostático (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Quando se aproxima ou afasta um ímã em direção a uma espira de corrente, o galvanômetro, que é um aparelho que mede corrente elétrica de baixa intensidade, pode mostrar uma corrente elétrica no circuito, mas isso ocorre somente quando o ímã está se movimentando, o que chamamos de corrente de indução. Da mesma forma, o galvanômetro pode acusar uma corrente elétrica quando deixar o ímã em repouso, porém, quando movimenta a espira (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
No caso de uma espira ser colocada perpendicularmente em um campo magnético constante, o fluxo magnético por meio da área da espira, é dado matematicamente pela relação:
= ∙ (16)
Dessa forma, a Lei de Faraday é expressa matematicamente pela variação no tempo desse fluxo magnético através de um circuito elétrico. No caso de uma bobina compactada enrolada, constituída de N espiras idênticas e concêntricas, a força eletromotriz (fem) induzida, será igual a:
= − (17)
Onde, o sinal negativo que aparece nessa relação diz respeito ao sentido da corrente elétrica, que foi induzida no sistema (ARAGÃO e ARAGÃO, 2011).
Assim, a fem induzida é a soma de todas as fem induzidas em cada uma das espiras. Existe uma diferença entre a força eletromotriz gerada por uma bateria e a força eletromotriz induzida. Na primeira é a energia química armazenada que é cedida a uma carga elétrica que passa através da bateria. No segundo caso, é a força eletromagnética que faz a carga percorrer um condutor de um determinado comprimento que se desloca com velocidade em um campo magnético (ARAGÃO & ARAGÃO, 2011).
Foi Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804 - 1865), em 1833, que descobriu que a resistência em um fio condutor aumenta com o aumento da temperatura. Vários dos estudosrealizados por Lenz também foram desenvolvidos por Faraday, porém, eles trabalharam separadamente (NUSSENZVEIG H. M., 2009).
Segundo Lenz, o sentido de qualquer efeito magnético de indução, corrente elétrica ou fem, é tal que ele se opõe à causa que o produziu. Essa lei pode também ser obtida a partir da lei de Faraday. Ela é uma alternativa para designar o sentido da corrente elétrica e da força
